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Ce document a été rédigé à la suite d'une animation du club autour du passage de la comète PANSTARRS. L'un d'entre nous, féru d'astronomie, nous avait convaincu qu'on pouvait faire des choses fort intéressantes sans matériel spécial, rien qu'un appareil et un pied. On trouve beaucoup d'information à ce sujet sur le web (par exemple, cliquez ici pour une bonne introduction), mais
Bref, ce document vise à faire le tour de ce qu'on peut faire avec le seul Photoshop pour «booster» ses photos de ciel étoilé. Les différentes sections seront illustrées avec ce que j'ai pu faire de la nébuleuse d'Orion (M42) avec un objectif de 150mm équivalent au cours de la même soirée, puis nous reviendrons dans la conclusion sur ce que j'ai pu faire de la comète.
Pour faire «venir» des objets très peu lumineux
Bien entendu, avant de procéder à ces additions, il faut commencer par aligner ces images, de manière à ce qu'elles se superposent parfaitement ; on verra plus tard comment s'y prendre (section 8 de ce document).
Il s'agit d'ajouter les composantes RVB de ces poses. Cela se fait au moyen du menu Images > Appliquer une image. Ce menu réalise différentes opérations dans le calque actif du moment, selon le paramétrage d'un certain nombre de listes déroulantes
Si on compte utiliser souvent ce menu, on a tout intérêt à lui affecter un raccourci clavier (menu Editions > Raccourcis clavier)
L'effet est le suivant :
La figure ci-dessous montre le résultat de l'addition de 32 poses avec ce genre de technique (résultat brut à gauche, après débruitage à droite)
On obtient le même effet de diminution du rapport signal/bruit en prenant la moyenne des différentes poses au lieu de les ajouter entre elles. L'image a l'air d'être toujours la même, mais ses tons sombres sont bien plus propres et on pourra les remonter très fortement (par exemple au moyen d'un simple réglage «tons foncés») sans que le bruit ne devienne aussi gênant que dans notre premier essai.
De manière plus savante, on peut considérer que la dynamique du capteur augmente de 0,5 EV chaque fois qu'on double le nombre de poses, soit +2 EV pour 16 poses ou +2,5 EV pour 32 poses.
Dans Photoshop, il suffit de mettre les différentes poses dans autant de calques
de la même image, puis de jouer sur leur opacité dans la palette des calques
comme indiqué dans la figure ci-contre,
le p-ième calque à partir du bas devant avoir
l'opacité 1/p.
Comme ces opacités sont affichées sans décimales dans
la palette des calques (par exemple, 16,66% est affiché comme 17%),
on peut avoir un petit doute sur la précision avec laquelle on entre ces
opacités.
Le plus simple est alors de grouper les calques par
paquets de 4 ou de 8, puis de jouer sur l'opacité des groupes eux-mêmes.
Par exemple, on voit ci-contre à gauche comment rassembler les 8 calques de la figure précédentes en deux groupes dans 4 calques. Dans chacun des groupes, on reprend la même séquences des opacités (100, 50, 33.33, 25, en gris dans la figure), puis on régle les opacités des groupes eux-mêmes, 100% pour le groupe inférieur, puis 50%, 33%, etc. (en rouge dans la figure)
Un dernier problème est de savoir que faire quand on n'est pas
arrivé à bien apparier les groupes. Par exemple, si on a pris
32 clichés, mais qu'il faille en éliminer 2, on se retrouve
avec 30 calques. Si les groupe par 8, on aura 3 groupes complets et un
dernier groupe avec seulement 6 calques. Si on lui affectait son opacité
théorique de 25%, ce groupe apporterait plus de bruit
à l'image composite que les autres, dans le rapport 8/6 ; il conviendra
donc de diviser son opacité par ce rapport, et donc de passer de 25% à
25x6/8 =18,75%.
Comme on va chercher à rendre visible des détails avec des composantes RVB très faibles, il importe qu'on ne soit pas gêné par la finesse de discrétisation de ces composantes afin de ne pas souffrir de postérisation. Il est donc souhaitable de préparer ses images en mode 16-bit.
La photo moyennée n'est pas plus surexposée que chacune des poses qu'on a combinée et on peut remonter les tons sombres sans provoquer de surexposition en empilant de simples réglages par courbes du genre indiqué ci-contre. L'intérêt de scinder l'opération en plusieurs étapes est que
La figure donne un exemple de mise en œuvre, à titre indicatif ; les numéros
donnent l'ordre d'application des différentes courbes.
La première courbe est très classique : on démarrer
avec un contraste très fort dans les tons sombres et on termine sur
le point 255,255 afin d'éviter la surexposition.
Dans la 2ème courbe, noter le décalage du curseur des noirs : on
a essayé de couper une partie du bruit.
Dans la 3ème courbe, noter le décalage du curseur des noirs dans
la couche bleue, pour pallier une montée du bruit dans cette couche.
La figure suivante donne un exemple de résultat avec ce genre de traitement
A partir de la gauche, on voit
Le travail avec seulement des courbes équivaut peu ou prou à une correction par courbes unique, où les RVB de chaque pixel après correction ne dépendent que des RVB initiaux de ce pixel. Cette courbe aurait l'allure ci-contre, avec une montée extrêmement raide sur la gauche, chargée de sortir les détails très sombres de l'obscurité, et, nécessairement (car la courbe doit rester globalement croissante afin d'éviter tout effet irréel de pseudo-solarisation) un plateau sur les tons plus clairs. Le contraste est diminué sur ce plateau et il peut en résulter une perte de modelé, un aspect mou, cotonneux, sur les pixels correspondants. Pour éviter cela, on peut utiliser diverses techniques de style «HDR» qui augmentent le contraste local.
Cette dénomination «HDR» s'est largement répandue, mais elle est abusive. En fait, les algorithmes qu'on va mettre en œuvre se trouvent bien dans les techniques de «tone-mapping» généralement associées au traitement des images HDR, mais on peut les appliquer à n'importe quelle image. Dans ces algorithmes, ce qui arrive à un pixel dépend de ce qui se passe dans son voisinage.
La première de ces techniques est tout simplement le réglage «tons foncés» du menu Image>Réglages. Comme on veut une remontée très forte des tons sombres, il faudra s'y reprendre à plusieurs fois. Par ailleurs, comme cette fonction marche mieux si on part d'une image bien égalisée, il faudra continuellement suivre où on en est avec les histogrammes.
La figure ci-dessous montre l'évolution de l'image et de ses histogrammes au cours d'un exemple de traitement. Cliquez sur les liens à droite de la figure pour passer d'une étape à la suivante. A chaque fois, on explique ce qui se passe dans le cadre en dessous de la figure.
Départ
Etape 1
Etape 2
Etape 3
Etape 4
Etape 5
Etape 6
Etape 7
La technique HDR proprement dite consiste à simuler des poses de plus en plus longues qu'on importe ensuite dans un logiciel HDR. Il me semble qu'on obtient de meilleurs résultats avec des poses croissant de 1 EV à chaque fois, qu'on obtient par l'action répétée de la courbe ci-contre ; également, on a intérêt à refaire les niveaux à chaque fois pour ne pas introduire de voilage dans les noirs de l'image.
Noter que le gain de 1EV ne correspond pas à une pente de 2, mais au point de sortie de sortie indiqué, à 186-255, à cause du gamma de 2,2 des profils sRGB ou Adobe-RGB.
A chaque fois, on doit enregistrer l'image dans un nouveau fichier. Si on compte faire le traitement HDR dans Photoshop, il faut supprimer les données EXIF et donc faire les enregistrements par le menu Fichier>Enregistrer pour le Web — sinon Photoshop constatera que ces données sont partout les mêmes et il en déduira que tous ces fichiers ont été faits avec la même pose et qu'il n'y a pas lieu d'en faire un montage HDR. L'inconvénient est que ce menu ne fonctionnera pas pour une image plein format de 10 Mpx ou plus.
Ensuite, on rouvre tous ces fichiers dans un logiciel HDR et se
débrouille pour avoir le résultat le plus sympathique
possible. La figure suivante montre un exemple de réglages avec le
menu Fichiers>Automatisation>Fusion HDR Pro de Photoshop CS-6, à
partir de 8 «expositions» décalées de 1 EV :
Les points les plus importants sont
Ne reste plus que les travaux de finition de
l'image, un petit débruitage et un ultime réglage de niveaux.
Les halos bleus entourant les étoiles les plus brillantes sont un artefact de la prise de vue. Ces étoiles ont été gravement surexposées et les pixels environnants ont été pollués ; ce phénomène est agravé par le travail en haute sensibilité (ici, 1600 ISO).
Si on ne dispose pas d'un logiciel HDR, on peut se débrouiller en accumulant les calques de correction par courbe dotés chacun d'un masque flou.
Le principe est le suivant. On part de la photo moyennée et on lui ajoute un calque de réglage par courbe comme indiqué ci-dessous (à part que la pente est excessive afin de mieux expliquer la suite des opérations). La figure montre l'état initial de l'image et ses histogrammes.
Cela surexpose le cœur de la nébuleuse, tout comme quand on additionnait deux poses dans la section 2. Pour éviter cela, on va remplir le masque du calque de réglage avec le négatif de l'image, via le processus suivant :
La dernière étape va consister à flouter le masque de quelques pixels. On voit l'effet ci-dessous (avant le flou à gauche, après à droite). On constate que les étoiles se rallument et qu'on a davantage de modelé dans la nébuleuse.
On va ensuite recommencer avec un nouveau calque de réglage par courbe, mais auparavant, il faut surveiller les histogrammes afin de ne pas laisser monter un voilage de fond plus ou moins coloré. Par exemple, si on se retrouve avec les histogrammes ci-contre, il conviendrait de les recaler, surtout dans le bleu.
En pratique, il vaudra mieux opérer avec des corrections plus faibles, correspondant à des gains de 1 EV par calque (c.à.d. des courbes se terminant sur le point 186-255). Par exemple, avec 7 calques de correction de 1 EV (euh... et quelques opérations de finition) j'ai obtenu le résultat suivant :
Ne pas croire que cette technique fait disparaître les halos bleus autour des étoiles surexposées ! Dans cette image, le nettoyage résulte prosaïquement d'un netttoyage chirurgical. Après avoir constaté que ces halos sont pratiquement inexistant dans la couche verte, on prend la sélection correspondant à cette couche, on l'intervertit et on peint en noir à travers cette sélection tout autour de ces étoiles. Pas très scientifique, mais tellement plus joli !
Il faut faire en sorte que les étoiles soient parfaitement superposées dans les différentes poses.
Le premier travail consiste à empiler ces poses dans autant de calques superposés dans une même image. Avec une version de Photoshop suffisamment récente, on peut soit opérer à partir de Bridge, en sélectionnant les différentes photos et en passant par le menu Outil>Photoshop>Chargement des fichiers dans les calques Photoshop, soit opérer directement à partir de Photoshop via le menu Fichiers>Script>Chargement des fichiers dans une pile. Avec un Photoshop plus ancien, il faudra faire l'empilage soi-même :
Ensuite, on va recaler les images les unes par rapport aux autres. Ne pas compter sur le menu Edition>Alignement automatique des calques des versions récentes, ça ne marchera pas ; il faudra faire ça à l'ancienne. Le cas le plus simple est celui où on passe d'un calque à l'autre par une simple translation :
Il arrivera qu'on souhaite diviser les pixels en deux. La solution consiste alors à doubler la taille en pixels de l'image avant de procéder à l'alignement des calques.
La procédure précédente (simple translation) fonctionne bien pour des étoiles assez proches les unes des autres et du côté de l'équateur céleste. Par contre, on se doute bien que si on a braqué l'appareil sur l'étoile polaire, les étoiles sur tout le capteur ont suivi des cercles autour de la polaire ; l'alignement consiste alors à faire tourner les calques autour de la polaire. Dans les cas intermédiaires, il est évident qu'il faudra essayer de combiner rotation et translation.
A vrai dire, j'ai très peu d'expérience sur le sujet et ce qui suit demande confirmation. La technique consisterait dans les étapes suivantes
Tout cela s'annonce bien fastidieux... Une vraie invitation à essayer DeepSkyStacker qui vous fera cela tout seul... si vous êtes sous Windows.
Et pourra-t-on toujours obtenir ainsi un recalage parfait ?
A la plus grande satisfaction des fabricants d'entrainements équatoriaux, la réponse générale est négative. Dès qu'on utilise une focale courte (50mm ou moins), il ne faut pas s'écarter de la polaire, ou bien utiliser une temps de pose total très court. La section suivante explique pourquoi.
L'image ci-contre (source Matt Molloy) montre que les étoiles sont parfois très loin de tourner sagement autour de l'étoile polaire (qui serait quelque part en haut à gauche de l'image) et il est assez évident que ce qui se passe dans le plan du capteur pendant un temps long n'est pas un simple déplace ment.
Les tableaux ci-après donnent les erreurs d'alignement en pixels après les étapes de translation et de rotation pour un capteur de 12 Mpx, après t secondes, pour diverses focales et et différentes inclinaisons i (en degrés) de l'axe du capteur par rapport à la polaire :
Plus précisément, les deux lignes dans chaque case de ces tableaux donnent les décalages le long de deux axes, Ox dans le plan parallèle à l'axe du capteur et à la direction de la polaire, et Oy perpendiculaire à Ox. La procédure d'alignement se compose de la translation nécessaire au recalage d'une étoile située au centre du capteur, puis d'une rotation pour ramener sur l'axe Ox une étoile initialement située en bord de champ dans cette direction. La première ligne donne les erreurs de recalage de cette étoile ; la seconde ligne donne les erreurs de recalage pour une autre étoile en bord champ dans la direction perpendiculaire.
Pour des temps d'une minute, on peut diviser par 2 les décalages de la première colonne. Si on estime que cette erreur d'alignement ne devrait pas dépasser 2 ou 3 pixels, on voit qu'on ne peut pas opérer très longtemps, surtout avec une focale courte, dès qu'on s'écarte de la direction de la polaire.
(rédaction provisoire)
Ces pixels tièdes sont des pixels anormalement brillants de l'image qui sont créés par des imperfections du capteur lors des poses longues (supérieures à la seconde). Ils sont automatiquement supprimés de l'image par l'appareil quand on a activé le menu «Réduction du bruit». Cependant, ce menu a l'inconvénient de doubler le temps de pose, alors qu'on a vu dans la section précédente qu'on n'avait pas tant de temps que ça pour accumuler les clichés en vue du moyennage ultérieur. Il peut donc être intéressant de désactiver ce menu et de procéder soi-même à la suppression de ces pixels.
Pour cela, on forme une image «noire» en couvrant l'objectif de son bouchon et en refaisant la même pose que pour les photos précédentes, le but étant d'obtenir les mêmes pixels tièdes. Ensuite, la première idée est de placer cette image par dessus l'image moyennée et d'en faire la différence afin de faire disparaître ces pixels anormaux.
Malheureusement, cette image «noire» ayant autant de bruit qu'une de nos poses, un effet collatéral fâcheux va être de réinjecter ce bruit dans l'image globale. Pour éviter cela, il va falloir réduire ce bruit de fond comme on l'a fait pour nos photos d'étoiles, en multipliant ces poses «noires» (il en faudrait même davantage que de photos d'étoiles) et en en prenant la moyenne.
Cette procédure remplace les pixels tièdes par des pixels noirs, moins visibles... sauf si ces pixels ont le mauvais goût d'être sur un objet clair. Une méthode plus élégante serait d'extraire un masque de l'image «noire» et de faire agir un filtre médiane à travers ce masque, afin de remplacer ces pixels tièdes par une moyenne des pixels avoisinants
(rédaction provisoire)
Le fond du ciel est un cas particulier de voilage d'une image. S'il
est uniforme, on peut le faire disparaître par un simple
réglage de niveau, sinon, on peut utiliser la technique suivante
— mettre ce fond de ciel dans un nouveau calque au-dessus du
calque image
— mettre ce nouveau calque en mode de fusion
«différence»
Il faut évidemment extraire le fond de ciel de l'image à traiter. Pour cela, on commencera par en supprimer les étoiles, par un filtre médiane de quelques pixels de rayon. On fera ensuite un petit flou gaussien, et on veillera enfin à ne pas embarquer d'éventuelles nébulosités dans ce fond de ciel (s'il y en avait, il faudrait les supprimer au tampon)
En guise de conclusion, nous allons voir ce que j'ai pu faire de la
comète PANSTARRS à la suite de notre sortie club. La
comète était à peine visible à l'œil nu,
juste au-dessus des brumes du couchant.Cliquez sur les liens en dessous de
l'image pour suivre les grandes étapes du traitement. Les images
(prises avec une focale équivalente de 150 mm) ont été
un peu recadrées ; leur largeur correspond à un angle
d'environ 10° dans le ciel.
Etape 1
Etape 2
Etape 3
Etape 4
Etape 5
Etape 6
Etape 7
Le flou dans le bas de l'image résulte du moyennage de l'horizon sur après l'alignement des différentes poses (en fait, il ne s'agit pas de l'horizon, mais d'une barre nuageuse).
Ici, avec une image de 4600 px de large, j'ai utilisé un filtre médiane de 5px de rayon, puis un flou gaussien de 60 px ; ce dernier n'est pas indispensable, mais il va accentuer la structure ténue des nuages juste sous la comète.
Ne pas s'inquiéter des horreurs tout en bas de l'image. Ce qui compte est la révélation de la chevelure de la comète et des étoiles. Aussi, hélas, la montée du bruit dans l'image, inévitable après l'augmentation sauvage du contraste (et encore, la réduction de taille pour passer sur cette page web diminue considérablement ce bruit)
A cause du niveau extrêmement élevé du bruit, il faut recourir à un plug-in spécialisé et très puissant ; je me suis servi du «Denoise 5» de Topaz Software (publicité non rétribuée, hélas...). Il n'est pas exclu que la montée du rouge dans le fond d'image ne soit pas due à un paramétrage incorrect, le logiciel n'étant manifestement pas à l'aise sur ce genre d'image en 16-bit.
J'aurais sans doute eu moins de souci avec le bruit si j'avais pris une centaine de poses au lieu de 30...
Pour cela, on place une copie du calque «fond de ciel» en haut de la pile des autres calques, en mode superposition. On règle ensuite l'opacite globale de ce calque à son goût (c.à.d. le niveau de réinjection du ciel) et on la module avec un masque de fusion — ici, j'ai laissé revenir le haut de l'image vers le noir pour conserver les étoiles bien visibles.
(i) Il reste encore du bruit ! On le fait disparaître avec un réglage de niveaux par dessous ce nouveau calque de ciel (ce bruit est le gros pic à gauche de l'histogramme ci-contre ; on l'escamote avec le curseur des noirs).
(ii) On reconstitue le bas de l'image au moyen d'un emprunt à l'une des poses individuelles. Rappelons que ce qu'on voit ici n'est pas l'horizon, mais une barre nuageuse.
(i) désaturation du rouge dans la chevelure
(ii) estompage du nuage en bleu tout à droite (beaucoup plus gênant en
vraie grandeur que sur cette page web)
(iii) légère accentuation des étoiles.
(iv) réflexion faite, un peu plus de ciel rouge en bas et un peu moins en
haut
(v) Et puis, au point où on en est, greffe d'un premier plan plus photogénique
(qui trainait juste à côté)
Revoyez «Etape 1» pour vous rappeler d'où nous sommes partis...